淺談綜合地質(zhì)勘察在長(zhǎng)大隧道勘察中的應(yīng)用

易 鑫 白雪飛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

近年來,隧道我國(guó)鐵路建設(shè)發(fā)展腳步的急劇加快,在山區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)中,長(zhǎng)大越嶺隧道已屢見不鮮,線路較長(zhǎng)、地形復(fù)雜等因素給鐵路勘察設(shè)計(jì)工作者帶來了極大困難。因此,采取何種有效的勘察方法,查清隧址區(qū)的工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件,提出盡可能準(zhǔn)確的工程地質(zhì)勘察資料,為保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確以及施工安全提供詳實(shí)依據(jù),已成為鐵路勘察設(shè)計(jì)工作中的重要課題。

1 地質(zhì)概況

山西中南部大能力鐵路通道西起山西省呂梁市興縣瓦塘,東至山東省日照港,貫穿山西、河南、山東三省,全長(zhǎng)1 200多km。大通道的建成將從根本上緩解山西鐵路運(yùn)力緊張的矛盾,保證國(guó)家的能源安全,同時(shí)也極大的促進(jìn)晉、豫、魯三省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與交流。

某隧道工程位于太岳山前緣翹凹與沁水塊坳主體的沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶之間,翻越濁漳河與沁河分水嶺,隧道全長(zhǎng)14.565 km,最大埋深約382 m。

隧道洞身主要穿越三疊系和尚溝組紫紅色灰紫色泥巖與細(xì)—中粒長(zhǎng)石砂巖、砂質(zhì)泥巖互層；三疊系下統(tǒng)劉家溝組紫紅色厚層中細(xì)粒砂巖、粉砂巖夾薄層磚紅色泥巖,中上部間夾多層0.5 cm厚的石膏,中部間夾“同生礫巖”。

隧道洞身穿越地層多為中、細(xì)粒砂巖，泥巖，砂質(zhì)泥巖，粉砂巖及其互層,巖性變化較大,各時(shí)代巖性分類統(tǒng)計(jì)詳見表1。

隧址區(qū)構(gòu)造屬新華夏系,安澤縣杜村一帶出露三疊系中統(tǒng),東西兩側(cè)巖層為三疊系下統(tǒng),總體呈北北東向復(fù)式向斜構(gòu)造,內(nèi)部發(fā)育一系列呈北北東走向次級(jí)褶皺。該褶皺帶為沁水塊坳主體,展布于屯留、陽城一線以西,沁源、安澤一線以東廣大地帶,軸向?yàn)楸北睎|向,構(gòu)造形態(tài)為一系列不同級(jí)別褶皺組成的復(fù)式向斜,其次級(jí)褶曲向斜構(gòu)造較為寬闊,背斜相對(duì)較窄,出露地層以三疊系為主,巖性為河湖相砂、泥巖。

表1 隧洞通過的地層巖性與各自砂、泥巖所占的比例

隧址區(qū)處于沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶內(nèi),出口端洞口巖層產(chǎn)狀為110°∠7°,進(jìn)口端洞口巖層產(chǎn)狀為314°∠3°,構(gòu)造形態(tài)總體為一復(fù)式向斜構(gòu)造。

隧道洞身發(fā)育三條斷層,分別為F1、F2、F3。

F1斷層：斷層性質(zhì)為正斷層,斷層走向?yàn)镹9°W～N15°W,傾角70°～85°,斷層破碎帶寬10～50 m,主要成分為斷層角礫巖、糜棱巖,巖體極破碎,多呈碎塊狀,斷層影響帶寬約150 m,影響帶節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。

F2斷層：斷層性質(zhì)為正斷層,斷層走向?yàn)镹8°E～N12°E,傾角75°～85°,斷層破碎帶寬10～30 m,主要成分為斷層角礫巖、糜棱巖,巖體極破碎,多呈碎塊狀,斷層影響帶寬約100 m,影響帶節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。

F3斷層:斷層走向?yàn)镹50°W,傾角75°～85°。斷層破碎帶寬10～20 m,主要成分為斷層角礫巖、糜棱巖,巖體極破碎,多呈碎塊狀,斷層影響帶寬約100 m,影響帶節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。

隧址區(qū)地表溝谷有地表水流過,主要受大氣降水補(bǔ)給,水量受季節(jié)性降水影響變化較大。隧址區(qū)沖溝發(fā)育,所以大氣降水時(shí)易形成的地表面流,水量受季節(jié)性影響變化較大,其自然排泄暢通。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,主要依靠大氣降水及地下徑流補(bǔ)給,排泄方式主要沿泥巖順坡排泄,形成多層懸掛泉,水量較小。隧道穿越地層為砂、泥巖地層,可能發(fā)育多層地下水,局部具承壓性,地表水與地下水相互補(bǔ)給,且斷層節(jié)理發(fā)育,并有向斜構(gòu)造，為地下水的貯存、補(bǔ)給、滲透提供了良好條件。

2 綜合勘探方法及效果

2.1 遙感技術(shù)

利用衛(wèi)星影像以及航片,根據(jù)地質(zhì)判釋標(biāo)志,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)資料,對(duì)整體區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。同時(shí)分析地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)以及重力不良地質(zhì)等遙感判釋結(jié)果,輔助完成地質(zhì)加深工作。為下一步勘察工作的開展,尤其是地質(zhì)調(diào)繪工作明確了方向與目標(biāo)。

前期遙感判釋過程中,發(fā)現(xiàn)隧址區(qū)域存在多處重力不良地質(zhì),包括滑坡、崩塌、巖堆等,在后來的工程地質(zhì)調(diào)繪過程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)與驗(yàn)證。遙感工作對(duì)于局部線路的優(yōu)化產(chǎn)生了極好的效果,發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

2.2 地質(zhì)調(diào)繪

根據(jù)遙感判釋結(jié)果,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)資料,對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行了1∶10 000及1∶2 000的工程地質(zhì)調(diào)繪,對(duì)本地區(qū)的重點(diǎn)地質(zhì)問題進(jìn)行了調(diào)查。出于方案比選的需要,相繼對(duì)長(zhǎng)隧、短隧及南繞改線經(jīng)良坪村北側(cè)方案進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)繪,對(duì)于重點(diǎn)地段如進(jìn)出口、淺埋段、斷層及構(gòu)造發(fā)育段進(jìn)行了重點(diǎn)調(diào)查,同時(shí)進(jìn)行了1∶10 000水文地質(zhì)調(diào)查,重點(diǎn)查明區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，地層的含水性等水文地質(zhì)問題,還對(duì)修建隧址附近的村莊居民用水、井、泉等進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查,以避免修建工程對(duì)水環(huán)境的影響。通過近兩個(gè)月的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)繪工作,初步獲得了隧址區(qū)較為詳盡的第一手地質(zhì)資料。

主要成果有：

①初步查明地層巖性及其接觸關(guān)系,以及成因時(shí)代的界限劃分。

②結(jié)合區(qū)域資料,對(duì)隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)模、特征及對(duì)工程的影響進(jìn)行了詳查與分析。

③對(duì)隧址區(qū)的重點(diǎn)地段,例如隧道進(jìn)出口、洞身淺埋地段的重力不良地質(zhì)進(jìn)行了詳查。

④開展1∶10 000的水文地質(zhì)調(diào)繪,結(jié)合水文地質(zhì)資料,重點(diǎn)查明了地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件,分區(qū)段提出隧道富水性評(píng)價(jià),預(yù)測(cè)最大涌水量,同時(shí)提出隧道工程對(duì)水文環(huán)境的影響,并作出環(huán)境工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪工作成果對(duì)該隧進(jìn)行了分段評(píng)價(jià)。

①隧道進(jìn)口段：洞身地層主要為長(zhǎng)石砂巖、泥巖互層,發(fā)育背斜及寬緩向斜構(gòu)造,兩翼傾角為8°～11°。砂巖與泥巖交界地帶易富集地下水,且匯于寬緩向斜核部。

②洞身穿越多處淺埋段：地表出露地層主要為長(zhǎng)石砂巖、泥巖互層和砂巖泥巖,洞身穿越地層主要為砂、泥巖互層。本段為寬緩向斜構(gòu)造的一翼,巖層傾角較緩,傾角8°～12°。

③隧道橫穿橫水盆地南緣：出露地層主要為長(zhǎng)石砂巖、泥巖互層和砂巖泥巖,角礫土、粉質(zhì)黏土。洞身地層主要為砂、泥巖互層,巖層傾角7°～20°,紫紅色長(zhǎng)石砂巖夾薄層泥巖,巖層傾角10°～25°。

該段為沁河水系和濁漳河水系的分水嶺,地下水較發(fā)育,出露有泉水。

④洞身穿越區(qū)域性斷層及影響區(qū)：洞身地層主要為劉家溝組長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾薄層泥巖。F1、F2、F3斷層及影響帶主要為壓碎巖、斷層角礫巖,巖體極破碎。

⑤隧道出口、淺埋段：洞身地層主要為劉家溝組長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾薄層泥巖。

總體而言,地質(zhì)調(diào)繪工作成果有效地加強(qiáng)了后期勘探工作的針對(duì)性,為后期綜合物探的成果分析提供了較為準(zhǔn)確的解釋依據(jù),同時(shí)更為鉆探工作的實(shí)施明確了其目的性,結(jié)合調(diào)繪資料布置的鉆孔孔位更加合理、多效。

2.3 物探

在前期遙感判釋以及大量地質(zhì)調(diào)繪成果的基礎(chǔ)上,合理的選擇綜合物探方法。根據(jù)綜合物探成果,可對(duì)區(qū)域內(nèi)的巖性界限、構(gòu)造位置及規(guī)模、第四系覆蓋層及基巖風(fēng)化層的厚度、地下水的富集帶及發(fā)育情況進(jìn)行分析。

本次綜合物探工作采用大地電磁法(EH-4系統(tǒng)),沿線路中線全線貫通布置測(cè)線1條,探測(cè)深度要求至隧底以下50.0 m,測(cè)點(diǎn)間距一般約30.0～60.0 m。由于線路通過地段地形起伏較大,地勢(shì)陡峭,工作期間正值雨季,加之交通不便,物探工作的開展較為困難。隨即采用高密度電法對(duì)EH4成果中的物理參數(shù)異常區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)充物探工作,兩種方法的結(jié)合使用,為取得最終物探判釋的單一性結(jié)果起到了一定的作用。

(1)在DK453+070～DK453+120兩側(cè)電阻率為50～260 Ω·m,中間明顯低阻異常,約為10～50 Ω·m。

(2)低阻帶至地表向下延伸貫通,且局部電阻率等值線發(fā)生扭曲。

(3)電阻率斷面圖上顯示其斷裂帶寬約50 m(見圖1)。

圖1 F3斷層電阻率剖面

物探結(jié)果顯示：剖面內(nèi)大部分基巖出露,局部為黃土及黃土夾卵石土覆蓋,覆蓋層厚度0～36 m。其下基巖為砂巖夾泥巖和泥巖夾砂巖,電阻率ρ=50～260 Ω·m；3段存在低阻異常,且兩邊巖層存在明顯錯(cuò)位,推斷此低阻異常為斷層破碎帶,其寬度約為50 m,電阻率分別為ρ=30～50 Ω·m,中等富水(例F3斷層,見圖1)；9處裂隙發(fā)育帶,電阻率分別為ρ=60～100 Ω·m、ρ=60～100 Ω·m、ρ=20～50 Ω·m、ρ=20～100 Ω·m、ρ=20～40 Ω·m、ρ=30～80 Ω·m、ρ=30～100 Ω·m、ρ=10～50 Ω·m、ρ=50～100 Ω·m,根據(jù)電阻率分析9條裂隙發(fā)育帶巖體破碎、中等富水；隧道其他段中存在6處巖體較破碎,其余段落巖體較完整。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖及地質(zhì)調(diào)繪資料,根據(jù)綜合物探工作成果對(duì)該隧進(jìn)行總體評(píng)價(jià)如下：

隧址區(qū)地層多變,地質(zhì)較為復(fù)雜,并發(fā)育有多級(jí)平緩褶皺構(gòu)造,伴隨有多處斷裂構(gòu)造,構(gòu)造較發(fā)育。隧道穿越中低山區(qū),位于沁水塊坳主體沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶,整體呈寬闊向斜構(gòu)造,洞身圍巖主要為三疊系下統(tǒng)和尚溝組長(zhǎng)石砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，下統(tǒng)劉家溝組長(zhǎng)石、石英砂巖,少量砂質(zhì)泥巖、泥巖、薄層礫巖。其中劉家溝組砂巖較堅(jiān)硬,發(fā)育兩組垂直節(jié)理,巖體較完整,圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好；但局部夾薄層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖,在地下水的作用下易形成軟弱面；和尚溝組長(zhǎng)石砂巖、泥巖互層段,砂巖巖質(zhì)較硬,巖體較完整；泥巖巖質(zhì)較軟,遇水易軟化、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、穩(wěn)定性差,圍巖軟硬相間,且局部巖體較破碎,裂隙水較發(fā)育。隧道構(gòu)造發(fā)育,多為寬緩向斜,向斜為一匯水盆地,主要以基巖裂隙水為主,由于圍巖為砂、泥巖,地下水富集有限,施工過程中可能主要以滲水為主,但砂巖與泥巖交界地帶地下水易富集,可能形成小規(guī)模的涌水、涌泥。隧道溝谷淺埋地段易受風(fēng)化及地表水的影響,圍巖相對(duì)破碎,裂隙水富集,圍巖穩(wěn)定性較差。隧址發(fā)育3條斷層,斷層附近巖體破碎,地下水發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性較差。

2.4 鉆探

鉆探工作是地質(zhì)勘探工作中最直接、最有效、最常用的方法,可以對(duì)前期的多項(xiàng)工作進(jìn)行較為準(zhǔn)確的驗(yàn)證,同時(shí)又能夠較為直接的采集地質(zhì)、水文參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪以及綜合物探工作的成果,可以將鉆孔布置在隧址區(qū)較為重要的部位。例如：合理布置淺埋段鉆孔,查明淺埋段覆蓋層及基巖風(fēng)化層的厚度；根據(jù)前期對(duì)斷裂的分析,選擇合適孔位布置深孔,已保證查明洞身穿越斷裂的準(zhǔn)確位置等。同時(shí)布孔時(shí)還要考慮一孔多用,盡可能讓孔內(nèi)信息發(fā)揮最大功效。該隧根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置淺孔10個(gè),406.5 m；深孔6個(gè),1 184 m。

局部鉆孔布置見圖2。

圖2 隧道局部工程地質(zhì)縱斷面鉆孔布置

綜上所述,運(yùn)用遙感判釋、工程地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探等勘探方法,將各種方法的分析成果相互結(jié)合,綜合性的分析該隧的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,為提供可靠設(shè)計(jì)依據(jù),起到了良好的效果。

主要工作量見表2。

表2 完成工作量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

(1)重視地質(zhì)加深工作,充分熟識(shí)、掌握區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)資料。利用衛(wèi)片、航片,運(yùn)用遙感判釋手段,先期對(duì)整體區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)分區(qū)進(jìn)行分析,同時(shí)提出初步評(píng)價(jià)。根據(jù)判釋特征,對(duì)工程區(qū)域內(nèi)的重力不良地質(zhì)進(jìn)行初步判釋,為后期的地質(zhì)調(diào)繪工作明確方向。

(2)全面開展工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)繪工作,盡可能對(duì)工程區(qū)域內(nèi)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等方面進(jìn)行全面細(xì)致的調(diào)查,充分獲得第一手地質(zhì)資料。地質(zhì)調(diào)繪工作是綜合勘察的基礎(chǔ)。

(3)運(yùn)用多種物探方法相結(jié)合的綜合物探方法,取之所長(zhǎng)、避其所短,相互驗(yàn)證,合理解釋,發(fā)揮綜合物探作用。

(4)運(yùn)用最直接、最有效的鉆探手段,深入開展鉆探工作。結(jié)合前期工作成果,深、淺孔結(jié)合,合理布孔,一孔多效。

(5)上述多種方法在綜合勘察中是相輔相成的,彼此之間相互指導(dǎo)、相互驗(yàn)證。因此要將其結(jié)合起來,全面分析,發(fā)揮綜合勘察的功效,以確保提供較為詳實(shí)、可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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